（石油与天然气工程专业论文）曙光油田曙三区综合防砂配套技术研究.pdf

中图分类号：t e 3 2 7单位代码：1 0 4 2 5 学号：g 0 6 0 2 0 6 8 寸阂石油六学 工程硕士学位论文 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m d e g r e et h e s i so fe n g i n e e r i n gm a s t e r 曙光油田曙三区综合防砂配套技术研究 r e s e a r c ho f c o m p o s i t es a n dc o n t r o lt e c h n i q u e si n s h u - - 3a r e ao fs h u g u a n go i lf i e l d 工程领域：石油与天然气工程 研究方向：油气田开发工程 作者姓名：、杨海青 。一。 校内导师：苏玉亮教授 现场导师：张守军高级工程师 二。一。年五月 r e s e a r c ho f c o m p o s i t es a n dc o n t r o lt e c h n i q u e si n s h u - - 3a r e ao f s h u - - g u a n go i lf i e l d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：y a n gh a iq i n g s u p e r v i s o r ：s uy ul i a n g c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取 得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注 和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人 为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文签名： 学位论文使用授权书 强凶幛臼7 b 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于 其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家 有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允 许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：列。年 日期：b 厶年 f | b 具| ， 捞 ， 日 日 摘要 曙三区是曙光采油厂稀油主力区块之一，自1 9 7 5 年投入开发以来，因油层埋藏 浅和泥质含量高，油井表现为大面积出砂，造成停产停注井多，严重制约油井正常 生产和区块采油速度的提高，可采储量采出程度非常低，尤其是随着注采井网的不 断完善，整个区域投入大面积注水开发以后，这一矛盾尤显突出。 本文概括介绍了曙三区油藏储层特征、开发特点和油藏出砂的开发矛盾，并对 出砂原因和出砂机理做了深入的分析，在此基础上，根据油水的储层特征、出砂类 型、出砂程度和生产状况，开发了与之相配套的综合防砂工艺技术。总体思路是以 防为主、以排为辅、防排结合、适度疏导。对于新井，出砂粒径小于0 0 5 m m ，累计 出砂量小于2 方的油井，出泥浆油井应用射流泵和长柱塞耐砂泵携砂生产；累计出 砂量大于2 方，冲砂检泵周期短，出砂粒径大于0 0 5 m m ，油层发育差的井实施压裂 防砂技术，对于套坏井和严重套变井实旌砾石充填防砂技术，针对水平井出砂，实 施高压充填防砂技术。多项技术的综合应用可以有效的缓解曙三区出砂的开发矛 盾，提高区块的开发效果。通过现场应用表明，配套防砂技术实施后，油井冲检周 期明显延长，生产效果得到改善。 关键词：曙光油田、出砂、防砂、提高采油速度 ，l r e s e a r c ho f c o m p o s i t es a n dc o n t r o lt e c h n i q u e si ns h u - - 3a r e ao fs h u - g u a n go i lf i e l d ( o i l & g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f a n ds e n i o re n g i n e e r a b s t r a c t s h u - 3a r e ai so n eo f m a i nl i g h to i lb l o c k si nt h es h u - g u a n go i lp r o d u c t i o n p l a n t ，s i n c e 19 7 5t oi n v e s ti nd e v e l o p i n g ，b e c a u s eo fs h a l l o wr e s e r v o i rc o v e ra n dh i g hm u d c o n t e n t ，a l o to fw e l l ss h o w ss a n dp r o d u c t i o n ，l e dt oal o to fp r o d u c t i o nw e l l si n j e c t i o nw e l l ss h u t d o w n , s e r i o u s l yr e s t r i c t e do i lp r o d u c t i o na n db l o c k st h en o r m a lp r o d u c t i o nr a t eo f i n c r e a s e l e dt ol o wr e c o v e r yp e r c e n to fr e c o v e r a b l er e s e r v e s e s p e c i a l l yw i t ht h e p r o d u c t i o na n di n j e c t i o nw e l l sp a t t e r n so fc o n t i n u o u si m p r o v e m e n t , t h ee n t i r er e g i o n c o m ei n t oa l a r g ea r e aw a t e rm je c t i o np r o d u c t i o n ，t h ec o n t r a d i c t i o n sa r ee s p e c i a l l ye v i d e n t t h ep a p e ro u t l i n e dr e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c so ft h es h u - 3 a r e a s 、d e v e l o p m e n t f e a t u r e s 、r e s e r v o i ro u to fs a n d s d e v e l o p m e n tc o n f l i c t ，a n dd e 印a n a l y s i st h em e c h a n i s m o ft h eo u to fs a n d s o nt h i sb a s i s ，a c c o r d i n gt ot h er e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c so fo i la n d w a t e r 、s a n dt y p e st h ed e g r e eo fs a n da n dp r o d u c t i o nc o n d i t i o n s ，d e v e l o p e dam a t c h e d t e c h n o l o g yw i t hc o m p r e h e n s i v es a n dc o n t r 0 1 t h eg e n e r a li d e ai ss a n dc o n t r o la st h em a i n m e t h o d ，s a n dp r o d u c t i o na st h ea i d s ，c o u p l e dw i t h s a n dc o n t r o la n ds a n dp r o d u c t i o n , m o d e r a t e l yd e s l u d g e t on e ww e l l s 、w e l l sp r o d u c tm u d s 、w e l l s ss a n dp a r t i c l es i z el e s s t h a n0 0 5 m ma n dt o t a lv o l u m eo fl e s st h a n2c u b i cm e t e r so fs a n d ，p r o d u c t sb yj e tp u m p a n dl o n g p l u n g e r - r e s i s t a n t - s a n dp u m p w e l l s ss a n dp a r t i c l es i z em o r et h a n0 0 5 m ma n d t o t a lv o l u m eo fm o r et h a n2c u b i cm e t e r so fs a n d s w e l l sw i t hs h o tp u m pd e t e c t i o n p e r i o d ，w e l l sw i t ho i lr e s e r v o i rp o o rg r o w t h ，u s ef r a c t u r i n gs a n d - c o n t r o lt e c h n o l o g y w e l l s w i t l lc a s i n gd a m a g e da n dd e f o r m a e du s eg r a v e lp a c ks a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t os a n do f h o r i z o n t a lw e l l su s eh i g h - p r e s s u r ep a c k i n gt e c h n i q u ei ns a n dc o n t 0 1 c o m p r e h e n s i v e a p p l i c a t i o no fv a r i o u st e c h n o l o g i e sc a l le f f e c t i v e l ya l l e v i a t et h ed e v e l o p m e n tc o n f l i c t ss h u - 3a e r as a n d ，i m p r o v et h ee f f e c to fb l o c kd e v e l o p m e n t f i e l da p p l i c a t i o ns h o w st h a tw e l l s s p u m pd e t e c t i o np e r i o d hh a v e b e e ne x t e n d ，p r o d u c t i o nr e s u l t sh a v e b e e ni m p r o v e dw i mt h e m a t c h e dt e c h n o l o g y 、析t hc o m p r e h e n s i v es a n dc o n t r o lh a v eb e e ni m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：s h u - g a n go i lf i e l d ，s a n dc o n t r o l ，d e v e l o p m e n tc o n f l i c t s ，i m p r o v et h e p r o d u c t i o nr a t e 1 l 目录 第一章前言- 1 1 1 课题研究的目的及意义1 1 2 国内外防砂方法研究现状2 1 2 1 国内防砂方法研究现状3 1 2 2 国外防砂方法研究现状。4 1 3 油井出砂机理、出砂规律研究。5 1 3 1 油井出砂机理5 1 3 2 油井出砂规律分析9 1 4 出砂因素及出砂层的特征。1o 1 4 1 影响出砂因素l o 1 4 2 出砂地层的分类及特征1 2 第二章综合防砂配套技术机理研究15 2 1 水力喷射泵排砂采油机理1 5 2 2 压裂防砂技术机理15 2 3 长柱塞耐砂泵携砂采油机理：16 2 4 其他配套技术治理出砂方法1 6 2 4 1 机械防砂工艺1 7 2 4 2 化学防砂技术。1 7 2 4 3 地层稳砂工艺1 8 2 4 4 泵下挡砂工艺：18 2 4 5 纤维复合防砂机理1 8 2 5 小结1 9 第三章曙三区主要开发矛盾分析2 0 3 1 曙三区油田油藏概况2 0 3 1 1 曙三区油藏构造特征：- 2 0 3 1 2 曙三区油藏沉积特征2 0 3 1 3 曙三区油藏储层特征2 0 3 1 4 曙三区油藏流体性质2 1 3 2 曙三区油田开发现状2 1 3 3 曙三区主要开发矛盾分析2 2 3 4 曙三区地层出砂原因及出砂类型。2 4 3 4 1 曙三区出砂地质因素分析2 4 3 4 2 曙三区出砂开发因素分析2 4 3 4 3 曙三区油井出砂的程度分类2 5 3 4 4 水平井出砂严重，影响油井产能的发挥2 5 3 5 小结2 6 第四章曙三区防砂配套技术应用研究2 7 4 1 应用水力喷射泵强制排砂采油2 7 4 1 1 水力喷射泵参数设计2 7 4 1 2 水力喷射泵地面配套系统2 8 4 1 3 水力喷射泵主要技术指标2 9 4 1 4 水力喷射泵实施效果2 9 4 2 应用压裂防砂技术延长油井检泵周期3 0 4 2 1 防砂剂室内评价3 0 4 2 2 热化学携砂液性能评价3l 4 2 3 防膨性能评价3 2 4 2 4 压裂防砂技术现场实施情况3 3 4 2 5 典型井例3 4 4 3 应用砾石充填防砂技术恢复套坏井产能。3 4 4 - 3 1 系列无接箍冲防砂管柱3 4 4 3 2 冲防砂管柱弯曲旋转技术3 5 4 3 3 充填工具3 7 4 3 4 砾石充填防砂技术现场实施效果3 8 4 4 长柱塞耐砂泵维持出泥浆油井正常生产3 8 4 4 1 长柱塞耐砂泵结构特点3 8 4 4 2 长柱塞耐砂泵现场实施情况3 9 4 5 应用水平井高压充填防砂工艺解决水平井出砂难题3 9 4 5 1 不锈钢精密防砂筛管4 0 4 5 2 充填砾石的筛选4 1 4 5 3 水平井充填物模试验研究4 2 4 5 4 水平井高压充填防砂工艺现场实施情况4 5 4 6 _ 、结4 6 第五章曙三区杜2 1 块综合防砂技术应用4 7 5 1 油层外加厚套管技术4 7 5 2 大孔径、高孔密、深穿透射孔技术4 8 5 3 早期排砂4 8 5 ；4 中后期防砂技术。4 8 5 5 举升工艺：4 9 5 6 注水工艺4 9 5 7 综合配套防砂技术现场实施情况4 9 5 8 小结4 9 第六章防砂工程经济效益分析。51 第七章结论及建议5 2 1 l ! l 谢。，。! ；：； 参考文献5 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 1 1 课题研究的目的及意义 目前，我国的经济高速发展，能源的供求矛盾越来越突出，石油天然气的勘探开 发早已满足不了我国经济发展的需要。同时，我国开发的许多主力油田已进入特高含 水期，水驱产量不断递减。随着勘探程度增高，一方面新增储量日益困难，新发现油 田规模总体呈变小趋势，而且新增探明储量中的低渗透与稠油储量所占比例逐年加 大。另一方面，我国注水开发油田“三高两低的开发矛盾突出，即综合含水率高、可 采储量采出程度高、采油速度高、储采比低、采收率低，但地下油藏中仍有大量石油 采不出来。这种开采程度高、采收率低的严峻局面要求我们为了保持战略产品石油的 稳产甚至是高产，为了满足我国经济发展等各方面的需求，迸一步勘探开发以往难以 开采的油气藏( 低渗以及稠油油藏等) 是解决这一矛盾的重要举措 1 】。 国内外油田勘探工作的进一步深入，作为油田后备储量的稠油超稠油油藏，探明 储量逐年增多。而大部分稠油以及超稠油油藏例如我国的吉林油田、辽河油田、胜利 油田、中原油田等四大稠油基地均属于疏松砂岩油藏，并且该类油藏均具有埋藏浅、 厚度薄、隔夹层薄、成岩性差、储层胶结疏松等基本特点，加之部分油藏还有边水、 底水等复杂的地质构造更加大了该类油藏的开采难度。油藏中原油的粘度很高，在地 层中难以流动，在开采的过程中，对地层砂携带能力强，出砂相当严重，对这类油藏 我国普遍采用的是注蒸汽开采方式，往往由于地层压力相比普通油藏要高出很多，采 取注汽开采时，注汽非常困难甚至根本就注不进汽，并且在注汽和开采过程中，近井 地带流速高，且经常改变流体流动方向，使得出砂程度进一步加剧，防砂难度加大。 油水井出砂问题目前也已经成为我国油气藏开发的一个重要课题。在国内外的各 。大油田都存在着这样的出砂问题。一方面油井出砂会导致砂粒在井底沉积形成砂堵， 降低产量，另一方面也增加了油田井下作业的工作量，如果砂害得不到及时的治理， 将会严重影响着油水井的正常开发和生产，使得油气藏不能高效、快速的开发。 油水井出砂的危害主要表现在一下四个方面【2 】： ( 1 ) 油井出砂可以引起采油层段的堵塞，引起管线和设备的堵塞，容易形成油层 砂埋、油管砂堵或者砂卡，地面管汇和储油罐沉砂，被迫停产处理事故，而且刚恢复 生产不久，砂害又会再度出现，又需重新修井，这样导致作业频繁，生产周期越来越 短，使油气井的产量大减。 第一章前言 ( 2 ) 油井出砂严重时，地层的出砂量不断的增加，形成的套管外的空穴会越来越 大，到达一定的程度以后，还会导致井壁坍塌，使得套管受挤压变形而损坏，油井报 废。 ( 3 ) 油井产出流体中含有的地层砂会磨损抽油泵阀座，腐蚀阀球，拉伤柱塞和泵 缸、严重冲蚀输油泵叶轮等造成产量下降、成本上升。 ( 4 ) 至于水井的问题不会像油井一样那么严重。但是水井出砂( 主要在洗井或者 作业后排液的时候发生) ，同样会引起注水层位的堵塞，影响正常注水。 ( 5 ) 破坏地层的原始构造或造成近井地带地层的渗透率严重下降。 面临以上的出砂所带来的一系列问题，在原油短缺的今天，防砂技术的研究逐渐 被人们所重视，研究疏松砂岩油藏出砂与套损机理及其预防措施，延长油水井套管使 用寿命，对于油田稳产和提高经济效益是油田下步面临的重要问题，也对油田持续 发展具有重要的现实意义。 我国的辽河油田地处渤海湾地区，是我国非常重要的稠油超稠油开采基地，稠油 超稠油助其开发，辽河油田随着注汽轮次的增加，回采水率的降低，。加剧了油层的出 砂。为了解决砂害辽河油田早在2 0 世纪7 0 、8 0 年代就已经进行了较为系统的攻关研 究。多年来，油田各个单位的科研人员共同努力攻关，研制开发了一批又一批的新技 术，如复合射孔防砂、压裂防砂、防砂堵水一体化、高压砾石充填深部防砂等新工 艺，同时开展了配套技术研究与应用，实现了防排结合，并且在现场应用的过程中取 得了较为显著的成果，本论文就主要针对辽油田曙光油田曙三区的综合防砂配套技术 进行了较为系统的理论研究以及结合现场实践对各类技术进行了详细的介绍和分析。 1 2 国内外防砂方法研究现状 目前国外将油气井压裂防砂技术作为首选的防砂技术j 防砂方面主要以机械防砂 为主，2 0 世纪9 0 年代中期，每年在墨西哥湾和阿拉斯加海湾压裂充填井数的规模在不 断扩大，随后在美国的普罗德油田、印尼和越南等地均运用的此技术。到8 0 年代绕丝 筛管砾石充填经过不断的完善和发展已发展成为一项较成熟的技术，而国外油气井防 砂工艺最初采用限产的办法来控制油气井出砂，1 9 3 2 年开始采用砾石充填方法【3 】。 国外大部分公司采用的工艺有两步和一步法，且有独特的防砂手段，从现场使用 的设备、设施到施工过程工艺，从砾石充填设备、阻隔器、筛管、注入工具到循环压 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 裂液、固砂剂、技术支持、现场施工等形成一整套的服务。随着技术的不断发展，国 外又研究开发出各种多种防砂工艺技术及防砂工具。 国内的压裂防砂技术现场试验应用是从1 9 9 9 年开始的，随着技术的不断进步，防 砂施工逐渐增多，均达到了预期效果，但是由于疏松砂岩油藏的防砂机理认识不够深 刻，存在较大误区，施工参数既不借鉴低渗油藏压裂做法，缺乏理论性的支撑。 1 2 1 国内防砂方法研究现状 国内防砂工艺技术发展迅速，近几年来防砂工艺技术以胜利石油管理局防砂中心 为代表能基本上代表国内的工艺水平。胜利油田绕丝筛管砾石充填技术对应的充填工 具有很多，大致分有常规充填工具，振动充填工具，分层充填工具，以下将做已详细 的介绍【3 1 。 ( 1 ) 振动充填工具 胜利油田采油工艺研究院研制出国内首款振动砾石充填工具，主要由旋转充填工 具、丢手工具和悬挂振动器、密封总组成。悬挂振动器宇筛管相联结，下乳筛管中心 的中心管内，由钳带( 地面动力) 带动管柱旋转，经由充填工具和生产心轴传导至冲 管下，振动块产生往复运动，连续敲击中心管内壁，从而实现了振动充填砾石。 ( 2 ) 常规砾石充填工具 常规的砾石充填工具分为正循环工具和反循环工具，而正循环工具中又包括了悬 ， 挂式和非悬挂式，典型的悬挂式工具有很多分类。 ( 3 ) 分层砾石充填工具 分层砾石充填防砂是针对多层分采或者厚层长井段进行有效防砂而提出的。胜利 油田在研习国外先进的防砂技术的同时，结合本油田的情况，成功研制出二次管柱和 一次管柱分层砾石充填工具a 二次砾石充填工具包括，正循环充填工具，悬挂道口丢 手工具，和封隔器三部分。 国内砾石充填筛管主要有金属棉滤砂管、割缝衬管、饶丝筛管、以及双层充填筛 管。充填材料主要是以石英砂为主，达到国际a p i 质量监督标准，其他的充填材料如 陶粒，石英砂和树脂涂敷砂。在使用范围上说陶粒价位高，应用的不是非常广泛，不 过对少数高温井中应用陶粒或树脂。 目前国内主要有两种常规充填工艺：高密度砾石充填与低密度砾石充填。充填方 式主要为正循环充填、反循环充填。正循环挤压充填方式是国内外许多油田优先采用 3 第一章前言 的方式，由于有较多的砾石进人射孔炮眼内，充填饱满，因此防砂时成功率高，效果 较好。反循环充填的特点是砾石磨损与施工简便易行，但由于套管内壁及油管外表功 不清洁容易堵塞筛缝及油层孔道，所以在国外本上不使用鉴于其施工工艺简单，充填 较密实，目前国内仍部分使用正循环充填的特点是施工用液少施工周期短，故目前国 内外应用最广泛：缺点是砂浆经过充填工具转换孔时砾石流向改变，造成部分砾石破 碎，影响充填层渗透性。常规低密度正循环挤压充填对于井斜度较大的定向井或丛式 井效果更佳，已经被国内很多油田现场实例所证实 4 1 。 1 2 2 国外防砂方法研究现状 对于绕丝筛管砾石充填技术，国外各大石油防砂公司都拥有自己的砾石充填工 具，目种类繁多，己形成系列化目前广泛应用于现场的主要有以下几种类型：皮碗式充 填工具、封隔器转换充填工具、振动充填工具。 水基低粘携砂液应用比较普遍，水基高粘液和油基、泡沫基携砂液虽已进人现场 应用，但用量比较少。配制高粘液最常用的聚合物是i - m e ( 经乙基纤维素) ，其凝胶的 基液通常是2 k c i 溶液。为提高密度，也采用c a d 、c a b r 、z n b r ：等作基液，最大密 度达2 3 9 c m ，但施工时要注意防腐。为进行低压漏失井砾石充填，发展了一种泡沫携 砂液( 用空气或氮气) ，干度为8 0 9 7 0 ，携砂比达1 7 7 k g l ，易排液，伤害小，又无 “砂石后沉效应 ，因而也适用于高斜井砾石充填【5 】o 使用的绕丝筛管砾石充填防砂充填材料有石英砂、陶粒和涂层砾石。低密度充填 材料中最广泛应用的是石英砂，其次是涂层砾石，陶粒的用量很少。对携砂液的要求 和其它完井液一样，必须与油层及其流体配伍性好减少地层伤害，有效地控制地层压 力，并有足够的携带能力。 按其表观粘度国外携砂液划分为三大类，即低粘度、冲粘度、高粘度；按基液性质 又可分为水基携砂液、油基携砂液和泡沫基携砂液三类。目前国际上在携砂液研究方 面持有两种观点：一种是朝高质、高效及高粘方向发展；另一种趋向于低粘或清水方向 发展。 如何评价则视油井类型而定主要的充填工艺有两种：高密度挤压充填和低密度砾 石充填工艺。高密度挤压充填工艺要求携砂液在运送砾石过程中有足够的悬浮能力， 目前美国多数公司采用h e c 聚合物，加入适量的交联剂和破胶剂作为携砂液充填作业 中需下人相应的挤压充填转换工具、下部信号筛管、合理的管柱配合及扶正器。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 3 油井出砂机理、出砂规律研究 1 3 1 油井出砂机理 油水井出砂是一个范围很广的自然现象，造成油水井出砂的原因也有很多种，最 主要的原因是砂岩岩体承受的流体拖曳力超过砂粒间的胶结力，生产条件下地层稳定 性与地层基质所受应力场作用有关。基质以复杂的方法适应应力场状态。地层基质所 受应力是上覆地层压力、孔隙压力、近井地带地层流体流动压力梯度、界面张力、流 体通过基质颗粒间空隙流动时与颗粒摩擦而形成的摩阻。地应力适应地层稳定性的方 式是在一定条件下由地层介质本征强度和地层产能系数这两个相互关联因数所决定 的，在这种条件下原地应力场再生产过程中因各种因数而破坏失稳后边形成了井眼周 围的稳定砂拱和砂桥【6 j 。 目前各大油田开发都进入了高含水期，油田一旦进入高含水开发期，为了维持产 量，自然增大了排液量，流体的流速加大，拖曳力增大，出砂的可能性也增加。在低 胶结强度的砂岩中控制产量可有效地避免出砂。但砂岩岩体本身的强度过低，即使在 控制产量的情况下也会出砂。砂岩强度降低的原因往往是由于油藏含水量的增加，所 以说油水井含砂离不开水的影响。砂岩在沉积生产的过程中，可能会有少量的砂粒未 被胶结而存留在孔隙中。当产层打开并投产时，这些呈游离状态的砂粒会随着流体进 入并眼，造成出砂。这种出砂的特点是砂粒较细，数量较少。近井眼地带的游离砂随 流体排出之后，出砂量会减少直到停止。远离井眼的砂体内的游离砂由于孔隙的吸 附、阻挡作用停留在砂体内。对于这种游离砂，可采取加强排流，促使其析出的方 法，而不必采取防砂措施。但在地层胶结很差，砂岩十分疏松，或是在未胶结的砂体 中开采流体时，由于大量的游离砂产出，会造成井壁坍塌，产量下降，危及油井的安 全，则必须采取防砂或固砂措施【7 】o一 一 国内外的研究表明，油层出砂一般情况下可以分为骨架砂和充填砂。当流体的流 速达到一定值时，首先使得充填于油层孔道中的未胶结砂粒发生移动，油井开始出 砂。随着流速的增加，油井受力发生变化，油井出砂量增加。当流体的流速达到某一 个值时，油层发生剪切破坏，造成岩石结构损坏、使骨架砂变为自由砂，被流体带着 移动，引起油井大量出砂。为了更好的比较和解释油井的出砂机理，我们在这里从地 质因素、油田开发工程因素和力学机理三个方面入手分析： 5 第一章前言 1 3 1 1 地质因素 油藏的开采开发过程中，导致油层出砂的地质因素只要包括沉积相、构造应力、 砂岩颗粒大小及形状、岩矿组成、储层的敏感性、润湿性等，下面简要对其中部分因 素进行了一定的介绍【引。 ( 1 ) 砂体性质的影响 一般来说，油层埋深越深，岩石的压实作用就越强，胶结就越好，岩层被压实紧 密，油层就不易出砂。砂岩胶结好坏是影响油井出砂的主要因素，胶结程度与岩层埋 深、岩石颗粒分选度、胶结物类型和胶结方式等密切相关。钙质胶结为主的砂岩较致 密，岩层强度高，不容易出砂；以泥质胶结为主的砂岩强度较低，容易出砂。砂岩颗 粒接触方式是影响地层出砂的另一重要因素，通过研究：如果砂岩颗粒为点接触，岩 层压实作用弱，油层就容易出砂。 ( 2 ) 地层压力对油井出砂的影响 在油田开发的过程中，部分地层累积亏空不断增加，地层的动液面不断地下降会 造成油层的不稳定，是的地层的骨架疏松引起严重的出砂。从理论上面分析，当地层 的压力下降以后，岩石颗粒所受的垂向应力就会不断地加大，这样就会是的岩石的骨 架发生塑性变形，最终发生破裂，岩石颗粒胶结物等会随着流体发生位移，造成油井 的出砂，可见，地层压力是影响油井出砂的主要因素。 ( 3 ) 地层中的岩石敏感性和流体性质对油井出砂的影响 地层中的自生矿物与原始油层中的流体一般处于平衡状态，当不同性质的流体进 入时，原始平衡被打破，对地层出砂产生影响。地层的速敏性、酸( 碱) 敏性、水敏 性、盐敏性在不同的情况下与流体发生反应或者受到流体速度的影响造成油井出砂。 鉴于地层的敏感性对油层出砂的影响，在原油生产过程中，需要严格控制进入井下液 体中的固相颗粒。控制合理的注采速度，对注水井运用防膨手段，防止粘土矿物水化 膨胀。谨慎选择酸化解堵时的用酸，入井液体的酸碱度应控制在8 5 以下，起到预防油 层出砂的效果。 1 3 1 2 油气田开发因素 ( 1 ) 生产压差对油井出砂的影响 在无外界其他因素的干扰情况下，深埋在地下的岩层，受到上覆岩层应力( 垂向 应力) 、水平地应力以及地层孔隙应力的作用，是出于平衡状态的。但是油井生产后 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 近井地带形成压力降，流压越低，生产压差越大，超过临界生产压差后就会导致剪切破 坏，造成出砂。 在对胜利油田永八块油层出砂机理的研究中，在模拟油藏及井眼周围岩石性质的 条件下，通过对岩心驱替流动出砂进行实验，对不同生产压差下的出砂量进行了检测， 得出的结论是：在其他条件相同的情况下，生产压差越大，出砂量越多【9 】。所以在实际现 场油藏的开采过程中一定要根据相应的开采状况以及地层压力的变化情况将生产压差 控制在临界生产压差范围之内，以免生产压差过大造成出砂现象严重。 ( 2 ) 地层中的含水对油层出砂的影响 地层中的含水量从束缚水饱和度提高到含水饱和度以后，使支持砂粒粘合的毛细 管力下降，地层的强度下降，油层易出砂，当含水饱和度达到8 0 9 1 5 左右的时候，粘着力 最大，油层的孔隙中大部分充填的都是一种液体水，砂粒间就不在存在胶结力。流体 在运移的过程中自然就不会将砂粒带出，导致油井的大量出砂。 另外，油层的水敏性在前面已经提出，矿化度高的水与油层岩石矿物间的化学反 应堵塞吼道，加剧了出砂。胶结物被水溶解，尤其是粘土矿物，如蒙脱石、高岭石遇 水膨胀、分散，岩石骨架损坏，导致岩石强度降低，颗粒运移，加剧出砂。流体对地 层的冲刷也会使得岩层的强度降低，导致出砂。 ( 3 ) 完井因素对油井出砂的影响 + 油水井进行完井的时候，如果完井工程设计中的孔密非常低，孔径很小的话，每 个炮眼周围的压力梯度增加，流动阻力就增加，产生大的拉伸破坏而引起出砂。同时 在射孔的过程中，由于受射孔枪的冲击，使得炮眼四周的岩层强度下降，岩层的渗透 率遭到破坏，而油层对渗流的阻力和流量的改变很敏感，流量突然增大或减小导致地 层出砂【9 】。现场实践表明，射孔的参数包括孔径、孔密、射孔相位角、井斜等参数的设 计都会影响到后期油田开采过程中的出砂情况。总之，为防止油井中后期出砂，应该在 早期钻井阶段和完井阶段进行预防，比如说采用高密度射孔完井、较低的生产压差和 流速进行生产，同时也可以利用一系列比较成熟的技术包括预测法、经验公式、数值 模拟计算等油层出砂进行预测，针对实际的油藏地质情况、施工因素以及井身结构等 因素综合考虑出砂的原因，选择一套合理的防砂技术和工艺，从而达到防砂的目的， 合理、有效地开发油藏【1 0 1 。 ( 4 ) 地层伤害对油井出砂的影响 7 第一章前言 在钻井、完井、采油、作业的过程中，会由于注入的液体与储层的物性不配伍或 者注入液体中的含有的固体颗粒很多原因，对油水井四周的油层造成不同程度的伤 害，伤害的主要类型有：射孔及岩石孔喉的堵塞，主要是固相颗粒的堵塞，粘土的水 敏效应造成粘土膨胀、分散和运移、产生化学反应形成沉淀和原油乳化使原油粘度增 加。各种伤害都对近井地带的渗透性产生了消极作用，增加了底层流体的流动阻力， 为了保持油井的产量或是注水井的注入量，就得增加生产或注入压差，由于地层的渗 流压差增大，造成油层的伤害使出砂加剧，出砂又会使油层的孔喉堵塞，增加渗流阻 力，形成恶性循环。所以，在油井施工和运转的每个环节上，必须减少或防止油层伤 害，利用各种手段和方法来保护储层，既有利于高产稳产，又有利于控砂。 ( 5 ) 其他影响出砂的因素 频繁的作业油井、原油粘度的变化以及岩石表面润湿性的改变等都会造成出砂， 频繁作业时可能会发生水侵也可能会引起地层压力的波动等加剧出砂。流体对岩石颗 粒的剪切作用力随流体的粘度增加而增大，由于砂岩体胶结比较疏松所以抗剪切强度 较弱，容易被剪切力破坏沙砾剥落随流体运移到井底。另外，随着油井含水的下降， 油水乳化现象使油井的流体粘度增大，造成油层出砂。油稠的井一般都是出砂井，流 体粘度越高，油井出砂就越严重【1 2 1 。 1 3 1 3 力学机理 从力学角度分析油层出砂有两个机理：即剪切破坏机理和拉伸破坏机理，前者主 要与井壁周围以及炮眼附近所受到的应力有关系，后者主要与采油速度和油层流体的 性质有关系。这两种机理之间相互作用和影响。除了以上两种出砂机理以外，还有微 粒运移造成出砂的情况。主要是油层中粘土颗粒的运移，因为这样会引起井底周围岩 层的渗透率下降，进而增加流体的拖曳力，并可能导致固相颗粒的产出【1 3 l 。 ( 1 ) 剪切破坏机理 破坏应该是大多数现场出砂一个重要的原因，再为钻开油层之前，油层应该是处 于平衡状态的，射孔完井方式应该是完井方式中最普遍的不完善完井方式，射孔油层 以后，油层的平衡状态被破坏，炮眼以及井壁周围的岩石颗粒所承受的地应力超过了 本身的抗剪切或者抗压强度以后，岩石产生剪切破会，井壁周围发生坍塌，岩石颗粒 就会随着流体流出。形成剪切破坏的主要原因是受油藏压力的衰减或生产压差高低的 影响，在油田的开采过程中如果油藏的能量的不到及时的补充或者注水效果非常的差 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 最终就会导致地应力的平衡失稳，形成剪切破坏。另外射孔对井周围岩石所造成的破 坏也是非常重要的一个因素，射孔以后井周围的岩石由里向外可以分为以下几个区 间：颗粒压碎、岩石重塑、塑性受损及弹性区。炮眼周围的岩石在射孔的作用下重新 塑化，产生完全塑性状态的应变。周围的岩石受射孔的震动被压碎，水泥环也受到震 动的损害。从力学角度看，这种情况下的地层出砂机理，为剪切破坏机理。 ( 2 ) 拉伸破坏机理 拉伸破坏是地层出砂的另一机理，该机理主要是因为开采过程中流体作用于炮孔 周围地层颗粒上的拖曳力所致，与过高的开采速度或过大的流体速度有关。在开采过 程中，流体由油藏渗流至井简，沿程会与地层颗粒产生摩擦，流速越大，摩擦力越 大，施加在岩石颗粒表面的拖曳力越大，即岩石颗粒前后的压力梯度越大最终造成拉 伸破坏。流体对岩石的拉伸破坏在炮眼周围是非常明显的，由于过流面积减小，流体 在炮眼周围形成汇聚流，流速远大于地层内部，另外，近井地带流体易脱气，粘度增 大，对岩石颗粒的拖曳力也会增加。在正常生产过程中，剪切和拉伸两种破坏机理将 同时起作用且相互影响，剪切破坏的地层会对流体的拖曳力更加敏感。在目前情况 下，地层的出砂现象以拉伸破坏机理为主。 ( 3 ) 微粒运移 从微观上看，出砂是由于地层流体对岩石颗粒的冲蚀引起的。流体在孔隙中流动 时，会产生一定的摩擦和压降。- 当压力很大且砂粒的胶结物少或者缺少胶结物时，单 个砂粒开始移动并进入井筒。在疏松砂岩油藏油层内部，存在相当多的自由微粒，油 层流体流动过程中，微粒油层里运移，直到进入井筒。当有些微粒被地层孔喉阻挡 后，就会增大流体的渗流阻力，增大了流体对岩石的拖曳力，未被阻挡细微粒被流体 带入井筒，形成油井出砂。 1 3 2 油井出砂规律分析 通过以上内容的介绍，对油井出砂的机理有了一定的了解，要想更加有效合理地 防砂控砂必须同时掌握油井出砂的一定规律，下面在调研了国内外大量文献的基础 上，对油水井出砂规律进行了简要的归纳总结【1 4 1 。 ( 1 ) 疏松砂岩油藏油水关系复杂易出砂：不同的油藏成因不同决定了其复杂的油 水关系，疏松砂岩油藏中易被一些小的泥质夹层或泥质隔层分割开来，由于隔夹层的 9 第一章前言 阻挡作用使得开发有了一定的难度，在这种情况下油水井出砂往往是因为该层油水关 系复杂又没有进行合理有效的层系划分。 ( 2 ) 出砂层位新补孔层位出砂严重：疏松油层出砂层位进行补孔以后，由于射孔 完井等作业破坏了近井地带，再加上地层压力高，出现涌砂现象。 ( 3 ) 油水井的出砂量随含水饱和度的上升而逐渐增加，在注水开发阶段，大量地 面水侵入油层，粘土胶结物遇水膨胀，破坏了原始地层骨架结构，胶结物溶蚀，出砂 量增加。注水强度越大，出砂越严重。注水井注水强度太大或突增时，对应油井出砂 越严重。 ( 4 ) 负压油井出砂严重：负压油井早期都经过强采、对应水井强注，油水并间连 通关系好，地层结构遭到破坏，目前对应水井控制注水后，油井地层压力低。该类井 出砂后冲砂困难，防砂更难。 ( 5 ) 采液强度或生产压差越大，出砂越严重。油层厚度大，物性好，采液强度提 高时，地层流体对岩石的冲刷越强，地层流体的流速大于地层砂流动的临界启动流 速，油层出砂越严重。 ( 6 ) 油田开发过程中，采油泵下深增加到一定的程度以后也会出现出砂现象【1 5 】。 1 4 出砂因素及出砂层的特征 1 4 1 影响出砂因素 油层是否出砂取决于岩石颗粒的胶结程度地层强度。一般说来，地层应力